University of Rochester

Dando a volta no Princípio da Incerteza

Físicos realizam as primeiras medições diretas dos estados de polarização da luz

		IMAGEM: Medição fraca:  quando a luz passa através de um cristal birrefringente, os componentes polarizados horizontal e verticalmente são separados mas ainda há uma certa superposição espacial entre eles, enquanto que em uma medição forte eles seriam inteiramente separados. Clique aqui para mais informações.

Pesquisadores da Universidade de Rochester e da Universidade de Ottawa aplicaram uma técnica recentemente desenvolvida para medir diretamente pela primeira vez os estados de polarização da luz. Seu trabalho ao mesmo tempo suplanta os importantes desafios impostos pelo famoso Princípio da Incerteza de Heisenberg, como também é aplicável aos qubits, as unidades da teoria da informação quântica.

Seus resultados são relatados em um artigo na edição desta semana da Nature Photonics.

A técnica de medição direta foi inicialmente desenvolvida em 2011 pelos cientistas do Conselho Nacional de Pesquisas do Canadá (National Research Council) para medir a função de onda – uma maneira de estabelecer o estado de um sistema quântico.

Essa medição direta da função de onda sempre pareceu impossível por causa de um dos fundamentos do princípio da incerteza – a ideia de que certas propriedades de um sistema quântico só podem ser conhecidas de maneira vaga, se outras propriedades relacionadas forem conhecidas com precisão. A capacidade de realizar tais medições diretamente desafia diretamente a ideia de que uma completa compreensão de um sistema quântico jamais poderia decorrer de uma observação direta.

Os pesquisadores em Rochester/Ottawa, liderados por Robert Boyd, que desempenha funções em ambas universidades, mediu os estados de polarização da luz – as direções nas quais os campos elétrico e magnético da luz oscilam. Seu principal resultado, tal como o da equipe pioneira na medição direta, é que é possível medir variáveis chave relacionadas, conhecidas como “variáveis conjugadas”, de uma partícula ou estado quântico diretamente. Os estados de polarização da luz podem ser usados para codificar informação e exatamente por isso podem ser a base dos qubits nas aplicações de informação quântica.

“A capacidade de realizar medições diretas da função de onda quântica tem importantes implicações futuras para a ciência da informação quântica”, explica Boyd, Catedrático de Óptica Quântica Não-linear  Canada Excellence Research da Universidade de Ottawa e Professor de Óptica e Física na Universidade de Rochester. “O trabalho corrente de nosso grupo envolve aplicar esta técnica a outros sistemas, por exemplo, medir a forma de um estado quântico “misturado” (o oposto a um estado “puro”)”.

Anteriormente, uma técnica chamada tomografia quântica permitiu aos pesquisadores medir a informação contida nesses estados quânticos, porém somente de maneira indireta. A tomografia quântica necessita de uma grande quantidade de pós-processamento dos dados e isto é um processo demorado, não necessário na técnica de medição direta. Em outras palavras, em princípio, a nova técnica fornece a mesma informação que a tomografia quântica, porém em um tempo significativamente menor.

“A chave para a caracterização de qualquer sistema quântico é reunir informações sobre as variáveis conjugadas”, declara o co-autor Jonathan Leach, atualmente um palestrante da Universidade Heriot-Watt, no Reino Unido. “A razão pela qual se pensava ser impossível medir duas variáveis conjugadas diretamente  é porque medir uma causaria o colapso da função de onda antes que se pudesse medir a outra”.

 A técnica de medição direta emprega um “truque” para medir a primeira propriedade de forma tal que não há perturbação significativa do sistema e a informação da segunda propriedade pode ainda ser obtida. Esta medição cuidadosa consiste em uma “medição fraca” da primeira propriedade, seguida de uma “medição forte” da segunda propriedade.

Esta medição fraca, descrita há 25 anos, requer que o acoplamento entre o sistema e o medidor seja, como o nome sugere, “fraco” o que significa que o sistema quase não seja perturbado pelo processo de medição. O lado ruim deste tipo de medição é que uma única medição fornece somente uma pequena quantidade de informação e, para conseguir uma leitura precisa, o processo tem que ser repetido várias vezes a partir do que se obtêm uma média dos resultados.

Boyd e seus colegas usaram a posição e o momento da luz como indicadores do estado de polarização. Para acoplar a polarização ao grau de liberdade espacial, eles usaram cristais bi-refringentes: quando a luz passa através de um cristal desses, é introduzida uma separação espacial entre polarizações diferentes. Por exemplo, se a luz for composta de uma combinação de componentes polarizados vertical e horizontalmente, as posições dos componentes individuais vão se separar quando eles passarem através do cristal conforme suas polarizações. A espessura do cristal pode ser usada para controlar a força da medição, fraca ou forte, e estabelecer o grau de separação correspondente, pequeno ou grande.

Nesta experiência, Boyd e seus colegas passaram a luz polarizada através de dois cristais de diferentes espessuras: o primeiro, um cristal muito fino que media “fracamente” os estados de polarização vertical e horizontal; o segundo, um cristal muito mais espesso que media “fortemente” o estado de polarização diagonal e anti-diagonal. Como a primeira medição era “fraca”, o sistema não era perturbado de maneira significativa e, dessa forma, a informação obtida pela segunda medição ainda era válida. Este processo é repetido várias vezes para a obtenção de um resultado estatisticamente significativo. Reunindo tudo, se tem uma caracterização completa e direta dos estados de polarização da luz.

Os demais autores do artigo são Jeff Z. Salvail, Megan Agnew e Allan S. Johnson, todos estudantes da Universidade de Ottawa quando a pesquisa foi realizada e o estudante de pós-graduação de Ottawa, Eliot Bolduc.

Este trabalho foi financiado pelo Programa Canada Excellence Research Chairs (CERC) e Boyd também reconhece o apoio do Programa DARPA InPho.

University of Innsbruck

Truques quânticos com medições

		IMAGEM: Em sua recente experiência, os cientistas  demonstraram que é possível reverter uma medição com o auxílio de um protocolo de correção de erro quântico. Clique aqui para mais informações.

Uma equipe de físicos da Universidade de Innsbruck, Áustria, realizou uma experiência que parece contradizer os fundamentos da teoria quântica – à primeira vista. A equipe, liderada por Rainer Blatt, reverteu uma medição quântica em um protótipo de processador de informação quântico. A experiência foi possibilitada por uma técnica que foi desenvolvida para a correção de erros quânticos em um futuro computador quântico.

As medições em sistemas quânticos têm intrigado gerações de físicos devido a suas propriedades contraintuitivas. Uma delas é o fato de que medições em um sistema quântico são, de modo geral, não determinísticas. Isso quer dizer que, mesmo que o estado do sistema seja completamente conhecido, é impossível prever o resultado de uma única medição. Além disso, a medição altera o estado do sistema, de forma que uma medição posterior certamente vai dar o mesmo resultado da primeira medição. Em outras palavras, a primeira medição altera irreversivelmente o sistema.

Em sua recente experiência, os cientistss demonstraram que é possível reverter uma medição com o auxílio de um protocolo de correção de erro quântico. Isto aparentemente contradiz os fundamentos da teoria quântica que proíbe explicitamente a reversão de uma medição quântica. Porém, uma olhadela mais detalhada torna fácil a solução deste enigma: a equipe de Philipp Schindler transfere a informação pertinente a uma única partícula para um estado emaranhado que consiste de três partículas. Se agora uma partícula individual for medida, seu estado original pode ser reconstruído a partir das informações que residem nas duas outras partículas restantes, o que não contraria as leis da mecânica quântica.

Artigo publicado: Undoing a quantum measurement. Philipp Schindler, Thomas Monz, Daniel Nigg, Julio T. Barreiro, Esteban A. Martinez, Matthias F. Brandl, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt. Physical Review Letters 110, 070403 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.070403 (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.070403)